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一种结构新型复合式空调系统的节能特性研究

杨洋  
【摘要】:降低新风能耗是实现绿色低能耗建筑的关键,同时也是缓解能源紧张和实现国家“碳达峰”和“碳中和”目标的重要措施之一。蒸发冷却与全热回收技术的发展为新风节能研究提供了进一步改善的空间。然而,经过广泛的回顾现有的新风空调节能相关研究,发现现有的新风空调器及其复合系统设计方案依旧存在运行模式单一、气候适应差以及节能效果不稳定等问题。本文针对上述关键问题,研究了一种结构新型的蒸发冷却式新风空调器设计方案的能耗特性。在此基础上,进一步研究了该新型新风空调器与机械压缩系统相结合的一种结构新型的复合式空调系统的能耗特性。该新风空调器包含多个空气-水换热器,这些换热器由循环水管路连接,形成换热器网络。在管路阀门的调节下,能够实现不同模式的切换,以适应复杂气候。该复合式空调系统可以通过新风空调器和机械压缩循环系统的协同工作,实现更为丰富的模式切换,具备全年节能运行的潜力,可以适应全年的四种典型气候,即炎热潮湿、温和潮湿、炎热干燥以及寒冷干燥气候。为全面了解和探索该新型新风空调器及其复合式空调系统的能耗特性,本文开展的主要工作包括:(1)采用理论分析的方法研究了上述结构新型新风空调器,该新风空调器具有三种运行模式(FAC-CDR、FAC-EC和FAC-HH模式)。提出了新风空调器的无因次分析模型,为性能分析和优化设计提供了有效的工具。建立了新风空调器内部换热器(淋水填料床和翅片管换热器)的有限差分法模型,并利用实验数据进行了验证,有效的保证了分析模型的结果可靠性。全面分析了运行参数、环境参数以及结构(特征)参数对新型新风空调器不同运行模式的温度效率、制冷/热量以及COP的影响。(2)理论研究了上述结构新型复合式空调系统,该复合式空调系统由新风空调器和机械压缩循环系统结合而成,具有四种运行模式(HAC-CDH、HAC-DHR、HAC-EC和HAC-HH模式)分别对应上述四种典型气候。建立了该复合式空调系统的完整分析模型,为性能分析和优化设计提供了有效的工具。为了提高复合式系统各模式计算模型的准确性和可靠性,针对每个模式的机械压缩循环进行迭代求解,并对蒸发器和冷凝器采用有限差分法建模。之后,再利用实验数据验证典型机械压缩制冷循环模型的可靠性。全面分析了运行参数、环境参数以及结构(特征)参数对新型复合式系统在不同运行模式下的能耗、COP以及节能率的影响。(3)基于TRNSYS建筑动态负荷模拟软件和复合式系统数学模型,评估了复合式系统在六个典型城市(乌鲁木齐、北京、西安、长沙、广州以及昆明)的能耗性能与节能潜力。最后,采用静态投资回报期评估了新型新风空调器的经济可行性。结果显示,复合式系统可以适应所有城市气候条件,年度节能率高达52%~64%。在大部分城市中,新型新风空调器的设备投资回收期低于2年。(4)基于能量和(火用)分析方法,对比研究了新型新风空调器与四种常规蒸发冷却器。分析了室外温湿度、传热/传质单元数以及新风量对上述蒸发冷却器的冷却效率、COP、(火用)效率、(火用)效比以及(火用)损失等性能参数的影响。总结了各个蒸发冷却器在不同工况下的性能特点。结果表明,新型新风空调器的COP和(火用)效比始终优于其他蒸发冷却器,在较高室外温度工况下更显著。并且,在参考工况下,它的总(火用)损也是最小的。突出了新型新风空调器结构设计的合理性以及性能优势。(5)对比研究了新型复合式空调器系统与四种常规蒸发冷却复合式系统的季节与全年能耗性能。通过不同复合式系统之间的横向比较,总结各复合式系统的气候适应性特点,突出了新型复合式系统在气候适应性和节能性方面的显著优势。本文通过对一种结构新型的复合式空调系统能耗特性的研究,发现了该复合式空调器系统在不同的气候条件下均具有出色的节能效益,并且全面分析了其节能机理,为解决现有空调系统气候适应差,能耗高等问题提供了新的思路。通过本文的探索研究,新型新风空调器及其复合式系统得到了全面的介绍、数学建模、参数化分析、节能潜力评估和对比研究。在理论层面充分证明了该新风空调器及其复合式系统具备的显著节能潜力。这项工作对于后续的样机制造、设计优化以及产品推广具有重要的指导作用。有望丰富和更新未来空调设备产品种类,为消费者提供更多更好的选择。


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